このページは、2003年7月に「地球環境観測」の補講の教材として書いたもので、 その後、気がついた文献やデータの更新をしましたが、 必ずしも最新の知識になっていません。
「水循環」は降水・流出・蒸発・大気中の水蒸気輸送からなる循環だが、 「水循環が加速する」(または「強まる」)という用語の意味は、あいまいである。 ひとつの意味は、時間あたりの降水量がふえる (循環は閉じていてほぼ定常的なので、時間あたりの蒸発量もふえる)という ことであり、 もうひとつの意味は、それぞれの水分子がこの循環を1周する平均の時間が 短くなることである。 後者を、大気中の水蒸気に注目して定義すれば、降水量を大気中の水蒸気量で 割ったものが大きくなったとき「加速した」ということになる。
温暖化すると水循環がどうなるかに関して、確実な理論はない。 単純に考えると、地表面付近の水蒸気の量がふえることは確実であり、 大気中の水蒸気の総量もふえる可能性が高い。 それがまわる速度が変わる積極的な理由はないので、仮に同じとすれば、 降水量・蒸発量は、水蒸気の総量の増加に比例してふえることになる。
21世紀の温室効果気体増加シナリオを前提とした数値モデル実験では、 温度上昇とともに大気中の水蒸気量がふえる。 降水量・蒸発量もふえるが、 地球全体としては、水蒸気の総量の増加に比例するよりは弱いふえかたである。 これは、蒸発には地表面エネルギー収支も制約となっていることからもっともである。 つまり、大気中の水蒸気の滞在時間はのびる。
しかし、観測データによると、これまで20年間は、 温度は温暖化したのに、降水量はふえていない。 最近20年間に起こったことは一様な温暖化ではなく地域的に複雑な変化なので、 この事実から上の単純な考えが否定されたとまでは言えないが、 それが成り立たない可能性も考える必要が生じたとは言えるだろう。
Ross and Elliott (2001)は、大気(対流圏)の水蒸気量について 1973年から1996年までのラジオゾンデ観測データによる変化傾向をまとめている。 機種の変更などによる見かけの変化を取り除く努力がされているが、 それは完全にはできないかもしれない。 また、観測地点の分布が偏っているので、 北半球に限っても空間平均値を求めるのはむずかしい。 熱帯太平洋諸島、アメリカ合衆国、中国などに増加傾向がみられる。 このうち中国は、Trenberthほか(2005)の比較によれば、 ERA40 (ヨーロッパ中期天気予報センター[ECMWF]の40年再解析)では 逆に減少傾向だが、 これはERA40が観測データと取りこむ際に、 中国で使われたゾンデの温度に偏りがある (その値が時期によって異なっている)と判断して補正したためである。 もしこの偏りの判断が正しいとすればERA40の傾向のほうが現実に近いと言える。
NVAPデータセット(Randelほか, 1996)は、1988年以後の毎日の全球の水蒸気量を、 衛星(マイクロ波、赤外の両方)とラジオゾンデを併用して求めた格子点データである。 最近(2003年5月)、これが1999年末まで更新された。 残念ながら、データセット作成者による説明文書によれば、 マイクロ波放射計の較正にバイアスがある。 全海洋平均値については補正値が与えられているので、 その補正をしたうえで 鉛直積算した水蒸気量(いわゆる可降水量)のグラフを作ってみると、 この12年間に水蒸気量には明らかな増加や減少の傾向はない。 地上気温の上昇と比べると水蒸気量がふえないのはふしぎだが、 MSUによる対流圏平均気温と比べればそれほどふしぎではない。 ただ、注目されるのは水蒸気量にはかなり大きい年々変動 (周期は不明だが10年くらいか?)があることである。
一方、大気・海洋結合大循環モデルで 二酸化炭素などの温室効果気体濃度の将来シナリオを与えた実験の水蒸気量に関する報告がいくつかあるが、 いずれも全球平均の水蒸気量はなめらかに増加しており、 年々変動はあまり大きくない。 観測の誤差の問題があまり深刻でないとすればだが、 このような大循環モデルの実験設定では 現実にある年々変動の要因が正しく表現されていない可能性があると思う。
Trenberthほか(2005)は、NVAPを含む複数のデータセットの全球の水蒸気量の 変化傾向を比較検討した。 Remote Sensing Systems社のWentzら(文献はWentz, 1997)が マイクロ波放射計(受動センサー) SSM/Iから求めた値は、 1988年以後の海上に限られるが、その限りではNVAPや ERA40およびアメリカ合衆国NCEPによる再解析よりもよいと Trenberthは判断している。 そのデータに従えば、 全球の海上の1988年から2003年までの水蒸気量の変化傾向は、 10年あたり0.4 kg/m2の増加である。
図1: 1988-1999年の毎年の鉛直積算した水蒸気量。 青の印はNVAPによる全球平均(目盛りは左)、 紫の印はNVAPによる緯度60度以下の海上の平均(目盛りは右)、 緑の印はSSM/I (Wentzアルゴリズム)による緯度60度以下の海上 の平均(目盛りは右)。 NVAPもSSM/Iを使っているが、そのほかTOVSの赤外放射計と ラジオゾンデの観測値を使っている。 なお、NVAPは、データ作成者が1995年以後のSSM/Iの較正にバイアスがあったと 指摘し、全球の海上の平均値についての補正値を示しているため、 ここではその値を概算で適用してグラフを作った。 増田作図(2005年)。
1979年以後、雨量計と衛星観測を併用した全球の降水量データセットが 作られている。そのうちCMAP (Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)を集計すると、1979年からの20年間に全球平均降水量は4 % くらい減っている。 いっぽう、GPCP (Global Precipitation Climatology Project)データセットで は、全球平均はほとんど変わっていない。 いずれにせよ、「地上気温の温暖化に伴って水循環は活発になっている」 と単純には言えない。
地域的に見ると、GPCPでは熱帯のうちでも降水量のふえているところと減っ ているところがあるが、熱帯中部太平洋(赤道, 東経160度付近)では降水量が 減っている。
CMAPとGPCPの違いのうち熱帯での違いは、さんご礁の島に置かれた雨量計の 観測値を、CMAPではまわりの海上を代表するものとして重視したのに対し、 GPCPではこれを軽視し海上は衛星観測を優先させるような重みづけをしたことに ある。 このどちらがよいか、いちがいに判断はできないが、 CMAPの全球平均の減少傾向は、熱帯中部太平洋の地域的なの減少傾向を 大きく反映してしまっている可能性がある。
なお、GPCP, CMAPのいずれでも降水量がふえているように見える ベトナムやバングラデシュなどについて、地上観測データで確認しようとした。 (ただしバングラデシュについては、GPCP, CMAPでも増加傾向がはっきりしているのは 海上のます目であり、ここで見た陸上のます目でははっきりしない。) それぞれの国の気象水文現業機関から提供されたもの(図で緑の記号) および、月降水量の通報にもとづいてアメリカ合衆国で編集されたGHCNデータセット (図で青の記号)の観測データは品質がよいと思われるが、 リアルタイムの気象通報中の降水量データにもとづいてアメリカ合衆国で編集された値(図で赤系統の色の記号)は、 欠落あるいは(とくにバングラデシュの1990年代の観測値については) 単位換算のまちがいと思われる数値が多く、信頼がおけないようである。 また、観測地点の降水量は地形の影響などで空間的な不均一が大きく、 格子データが現実のそのます目の平均の降水量を代表しているかどうかを、 地点値との単純なつきあわせで評価することがむずかしいという問題もある。
ベトナム中部(地点はDa Nang)では、格子データと地上観測データの傾向は対応しており、 1990年代に降水量の増加傾向があると言ってもよさそうだが、 1999年の値が特異に多くその後はもとのレベルにもどっているとも解釈できる。 図に示したその他の地域では、増加傾向があるとは言いがたいと思う。 しかし、地点やひとつのます目の値がばらつくのは当然であり、 長期傾向を見るには領域平均値に注目すべきかもしれない。図2: 1979-2004年の毎年の年平均降水量。 青の印はGPCPデータセット、 赤の印はCMAPデータセットによるもの。増田作図(2005年)。
図3: 1988-1999年の毎年の水蒸気の「リサイクル速度」 つまり、降水量/水蒸気量。 降水量はGPCPとCMAP、 水蒸気量はNVAP(全球、目盛りは左)と SSM/I (Wentz, 緯度60度以下の海上、目盛りは右) の両方について計算してみた。 CMAPとSSM/Iの組み合わせではリサイクルが遅くなっている (水蒸気の大気中の平均滞在時間が長くなっている)と見えるが、 他のデータでは必ずしもそうは見えない。増田作図(2005年)。
図4: 1979-1999年の降水量の変化傾向(直線をあてはめたときの傾き)。 上はCMAPデータセット、下はGPCPデータセットによるもの。 点点がつけてあるところは変化傾向が統計的に有意(有意水準95%)であることを示す。 五十嵐弘道氏作図(2002年)。
図5: バングラデシュの4地点での年降水量の時系列。 線は格子点データ(GPCPとCMAP)、 記号は雨量計観測データ(データ入手経路ごとに記号を変えてある)。 増田作図(2005年)。
図6: ベトナムの4地点での年降水量の時系列。 線は格子点データ(GPCPとCMAP)、 記号は雨量計観測データ(データ入手経路ごとに記号を変えてある)。 増田作図(2005年)。
アメリカ合衆国や旧ソビエト連邦などで、「パン(pan)蒸発計」で測った 蒸発量が1950年代以後減少している。 したがって、陸からの蒸発量が減っているという議論があった (Petersonほか, 1995)。
しかし、パン蒸発計は水面からの蒸発量をはかるものであり、そのまわりの 土壌や植生からの蒸発(ここでは植物からの蒸散を含めて蒸発と呼ぶ)を 代表するものではない。 パン蒸発量の減少は、むしろ、陸上の空気が湿ってきたことを示し、 陸上の蒸発量はふえているはずだという議論もある (Brutsaert and Parlange, 1998)。
また、パン蒸発量が世界じゅうで減っているわけでもなく、 中国では地域によってはふえている(Xu et al., 2005)。 なおOhmura and Wildの紹介では増加が強調されているが、 中国でも減っているところもある)。
全球平均ではないが、半球(海陸を含む)の蒸発量を夏と冬に分けてみれば、 冬のほうが、温度が低いにもかかわらず、蒸発量は多い。 これは主に海上で冬のほうが風速が強いことで説明できる。 ともかく、いつも地上気温が高くなれば蒸発量がふえるという 因果関係があるわけではない。
